CN106814382A - 联合高度角和用户测距误差的gnss卫星观测值定权方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星观测值定权方法，包括：S1确定GNSS卫星系统中每颗GNSS卫星的用户测距误差URE；S2基于URE构建观测值随机模型；S3结合基于高度角和用户测距误差的观测值随机模型GNSS卫星观测值进行定权。本发明既考虑到GNSS测量中对流层、电离层延迟和多路径误差对观测值的影响，又顾及了卫星轨道和卫星钟差误差对精密定位的影响，构建联合卫星高度角和URE的定权方法，定权策略更合理，更符合GNSS精密定位理论。

Description

联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星观测值定权方法
技术领域
本发明属于全球卫星导航系统GNSS高精度定位技术领域，具体涉及一种联合高度角和用户测距误差(URE，User Range Error)的GNSS卫星观测值定权方法。
背景技术
全球卫星导航系统GNSS(美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo、中国的BDS等总称)已经成为及时获取高精度导航定位信息的重要空间基础设施，GEO/IGSO/MEO多轨道类型共存和多GNSS系统联合数据处理是卫星导航系统定位技术发展的重要特征与优势之一。我国北斗卫星导航系统BDS于2012年12月底完成了第二步建设任务(5GEO+5IGSO+4MEO星座)，开始向亚太地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，预计2020年建成5个GEO、3个IGSO和27个MEO卫星组成的全球卫星导航系统。
GNSS高精度定位中，确定合适的观测值权能有效控制各种误差的影响，提高定位精度，目前采用的观测值定权方法主要有等精度定权法、高度角定权法、信噪比定权法等。高度角定权法顾及到了卫星信号传播路径上的对流层、电离层延迟和多路径效应等误差随着高度角的减小而增大的特征，且易于程序设计和实现，因此得到了广泛的应用。信噪比定权法在多路径效应严重的情况下得到了广泛应用。
卫星轨道和钟差的精度也是影响GNSS精密定位的重要因素之一，对于GPS、GLONASS、Galileo等系统而言，各颗卫星轨道和钟差精度相近，定权时没有考虑其影响。但北斗卫星导航系统由GEO、IGSO和MEO三类不同高度的卫星构成，各类卫星的轨道和钟差精度有较大差别，目前GEO卫星三维精度达到米级，IGSO三维精度为20～30cm，而MEO为10～20cm。对于GPS/GLONASS/Galileo/BDS多系统联合精密定位时，不同系统的卫星轨道和钟差精度也不相同。目前的等精度定权法、高度角定权法、信噪比定权法等均没有顾及到卫星轨道和钟差的精度差异，因此，在多轨道类型、多GNSS系统精密定位中，如何合适地对观测值定权来提高定位精度成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是顾及卫星轨道和钟差误差，提出一种联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星观测值定权方法，以有效解决GEO/IGSO/MEO多轨道类型、多GNSS系统精密定位中观测值的定权问题。
本发明提供的联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星观测值定权方法，包括：
S1根据GNSS卫星轨道和钟差数据，利用分段法确定GNSS卫星系统中每颗GNSS卫星的用户测距误差URE；
S2基于URE构建观测值随机模型 为第i颗GNSS卫星观测值的方差；UREi为第i颗GNSS卫星的URE值；UREref为参考卫星的URE值，参考卫星为GNSS卫星系统中一颗URE值最小的GNSS卫星；为GNSS卫星观测值的先验方差；
S3结合卫星高度角和用户测距误差对GNSS卫星观测值进行定权，具体为：
获得结合卫星高度角和用户测距误差的观测值随机模型：
根据观测值随机模型确定GNSS卫星观测值的权
上述，表示结合高度角和用户测距误差的第i颗GNSS卫星观测值的方差；wi,comb表示第i颗GNSS卫星观测值的权。
步骤S1进一步包括：
根据卫星轨道和钟差数据，分别计算每颗卫星轨道的切向分量误差A、径向分量误差R、法向分量误差C以及钟差精度T；
根据卫星类型计算每颗卫星的其中，wR和wA,C均为常量系数，不同类型卫星取不同的值；对GPS卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/49；对GLONASS卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/45；对Galileo卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/61；对北斗IGSO卫星和GEO卫星，wR＝0.99，wA,C＝1/127；对北斗MEO卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/54。
基于上述联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星观测值定权方法，本发明还提供了一种联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星定位方法，包括：联合观测方程和上述GNSS卫星观测值定权方法所获得的GNSS卫星观测值的权，进行精密定位解算。
进一步的，所述的精密定位解算采用加权最小二乘法或卡尔曼滤波估计法进行。
用户测距误差URE综合反映了卫星轨道和钟差误差，URE、大气误差、观测值噪声、多路径效应误差共同组成用户等效距离误差UERE(User Equivalent Range Errors)，UERE乘以精度因子DOP(Dilution Of Precision)即可获得用户定位误差。所述大气误差包括电离层、对流层等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明既考虑到GNSS测量中对流层、电离层延迟和多路径误差对观测值的影响，又顾及了卫星轨道和卫星钟差误差对精密定位的影响，构建联合卫星高度角和URE的定权方法，定权策略更合理，更符合GNSS精密定位理论。
(2)本发明特别适用于北斗多轨道类型星座(GEO/IGSO/MEO)精密定位和包含北斗的多GNSS系统组合精密定位，同时，也适用于GPS等单系统精密定位，不仅具有特殊性，也有普适性。
(3)应用本发明提供的定权方法进行北斗导航卫星系统精密定位，对提高定位精度有很大的帮助；
(4)应用本发明提供的定权方法进行GPS/GLONASS/Galileo/BDS多系统联合精密定位，能有效提高定位精度。
附图说明
图1是本发明的具体流程示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种联合高度角和用户测距误差的GNSS观测值定权方法。参见附图1，本发明的基本流程为：一方面，考虑到对流层、电离层等大气延迟和多路径效应等误差，使用传统方法确定基于高度角的观测值随机模型；另一方面，考虑到卫星轨道和钟差误差对精密定位的影响，构建新的基于URE的观测值随机模型；联合基于高度角和URE的观测值随机模型确定GNSS观测值的权。
具体的实施流程包括以下步骤：
步骤1，根据GNSS卫星轨道和钟差数据，利用分段法确定GNSS卫星系统中每颗GNSS卫星的用户测距误差URE。所述的GNSS卫星系统包括：①GEO/IGSO/MEO多轨道类型共存的北斗导航卫星系统；②仅有MEO类型卫星的GPS、GLONASS或Galileo单卫星系统；③GPS/GLONASS/Galileo/BDS多系统联合卫星系统。
具体包括以下步骤：
步骤1.1，根据GNSS卫星轨道和钟差数据，分别计算每颗GNSS卫星轨道的切向分量误差、径向分量误差、法向分量误差以及钟差精度；
步骤1.2，根据卫星类型计算每颗GNSS卫星的URE：
式(1)中：
A、R、C分别表示GNSS卫星轨道的切向分量误差、径向分量误差、法向分量误差；
T表示钟差精度，T换算成长度单位；
wR和wA,C均为常量系数，不同类型卫星取不同的值，比如，对GPS卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/49；对GLONASS卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/45；对Galileo卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/61；对北斗IGSO卫星和GEO卫星，wR＝0.99，wA,C＝1/127；对北斗MEO卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/54。
步骤2，构建基于URE的观测值随机模型。
分别计算GNSS卫星系统中每颗GNSS卫星的URE值，取一颗URE值最小的GNSS卫星，即轨道精度和钟差精度最高的GNSS卫星，将其设为参考卫星，将参考卫星的URE值记为UREref，则第i颗GNSS卫星观测值的方差为：
式(2)即基于URE的观测值随机模型，其中，为GNSS卫星观测值的先验方差；UREi表示第i颗GNSS卫星的URE值。
步骤3，结合卫星高度角和用户测距误差对GNSS卫星观测值进行定权。
本步骤具体包括以下子步骤：
步骤3.1，根据观测站和GNSS卫星位置计算每个历元每颗GNSS卫星的高度角。
步骤3.2，确定基于高度角的观测值随机模型，如下：
式(4)中，elev表示GNSS卫星高度角；表示高度角elev处第i颗GNSS卫星观测值的方差；为GNSS卫星观测值的先验方差。
步骤3.3，获得结合高度角和用户测距误差的观测值随机模型。
结合高度角和用户测距误差的第i颗GNSS卫星观测值的方差表示如下：
步骤3.4，根据方差确定GNSS卫星观测值的权。
第i颗GNSS卫星观测值的权wi,comb为：
步骤4，联合精密定位观测模型和GNSS卫星观测值的权，利用加权最小二乘法或卡尔曼滤波估计法进行精密定位解算。
本文中所描述仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星观测值定权方法，其特征是，包括：
S1根据GNSS卫星轨道和钟差数据，利用分段法确定GNSS卫星系统中每颗GNSS卫星的用户测距误差URE；
S2基于URE构建观测值随机模型 为第i颗GNSS卫星观测值的方差；UREi为第i颗GNSS卫星的URE值；UREref为参考卫星的URE值，参考卫星为GNSS卫星系统中一颗URE值最小的GNSS卫星；为GNSS卫星观测值的先验方差；
S3结合卫星高度角和用户测距误差对GNSS卫星观测值进行定权，具体为：
获得结合卫星高度角和用户测距误差的观测值随机模型：
根据观测值随机模型确定GNSS卫星观测值的权
上述，表示结合高度角和用户测距误差的第i颗GNSS卫星观测值的方差；wi,comb表示第i颗GNSS卫星观测值的权。
2.如权利要求1所述的联合高度角和用户测距误差的GNSS观测值定权方法，其特征是：
步骤S1进一步包括：
根据GNSS卫星轨道和钟差数据，分别计算每颗GNSS卫星轨道的切向分量误差A、径向分量误差R、法向分量误差C以及钟差精度T；
根据卫星类型计算每颗GNSS卫星的其中，wR和wA,C均为常量系数，不同类型卫星取不同的值；对GPS卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/49；对GLONASS卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/45；对Galileo卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/61；对北斗IGSO卫星和GEO卫星，wR＝0.99，wA,C＝1/127；对北斗MEO卫星，wR＝0.98，wA,C＝1/54。
3.联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星定位方法，其特征是：
联合观测方程和权利要求1所获得的GNSS卫星观测值的权进行精密定位解算。
4.如权利要求3所述的联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星定位方法，其特征是：
所述的精密定位解算采用加权最小二乘法或卡尔曼滤波估计法进行。
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